KR20050030790A - 연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

개시된 발명은 연소로 내의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법에 관한 것으로, 연소 가열 공정에 대하여 설비의 개조 또는 교체 소요를 줄이면서 저 비용으로 질소 산화물 생성을 저감시키기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 난류확산버너가 설치된 연소로의 질소산화물 발생 저감장치에 있어서, 상기 연소로의 측벽에 개구부를 형성하고, 상기 연소로의 측벽 개구부에 음향 부가장치를 설치하여 상기 연소로의 내부로 유체 밀도의 변동을 유도할 수 있는 음파를 부가하도록 구성하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법을 제공하며, 기존에 설비되어 있는 버너장치를 교체하지 않고도 연소로에서 발생되는 질소산화물을 저감시킬 수 있고, 또한 질소 산화물 저감을 위하여 저 질소산화물 생성형 버너로 교체한 경우에 있어서도 추가적인 질소 산화물 생성 억제가 가능하게 되며, 따라서 질소 산화물 생성 억제를 위한 경비 절감 및 환경보전에 기여할 수 있는 등의 이점을 얻을 수 있게 된다.

Description

연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법{method and apparatus for reducing the generation of nitrogen oxide in furnace}

본 발명은 화석 연료를 연소시키는 연소로에 있어서 질소산화물 생성량을 저감할 수 있는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난류확산 버너가 설치된 연소로 내부에서 유체 밀도의 변동을 유발시켜 연소 반응영역을 확대시킴과 동시에 연소열의 분산 촉진을 유도함으로서, 화염의 최 고온부 온도를 저하시켜 질소 산화물의 생성 반응이 급격하게 저하되도록 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법에 관한 것이다.

특히 본 발명은 난류확산 버너가 설치된 연소로의 내부로 가청 주파수에서 초음파에 이르는 음파를 연소 반응면과 수직한 방향으로 부가하여 음파의 진행에 따른 유체 밀도의 변동 현상이 연소반응면과 수직한 방향으로 유발되도록 하며, 그로 인하여 연소 반응영역과 주위의 연료 및 연소가스 간에 물질 및 열의 분산이 촉진되도록 하여 연소 반응영역을 확대시킴과 동시에 연소열의 분산 촉진 작용을 얻을 수 있도록 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화석 연료를 연소시키는 모든 연소 공정에서는 필연적으로 질소산화물이 생성되며, 이러한 질소산화물은 가장 대표적인 대기오염 물질로서 여러 가지 공해 문제를 야기하기 때문에 그 발생량을 법으로서 규제하고 있다.

따라서 연소 공정 분야에서는 이와 같은 질소 산화물의 생성 저감을 위한 기술 개발이 지난 수 십년 간 지속되어 왔으며, 주로 버너에 있어서 연소용 공기 또는 연료의 분사 방식을 달리하거나 분사 속도의 조절 그리고 분사 구의 형태에 대한 적정 설계 등과 같은 방법을 사용하여 왔고, 연료 또는 공기의 단계적 분사, 연료의 직접 분사 그리고 고속 공기 분사 방법 등이 대표적이 예이다.

이와 같은 기존의 질소 산화물 저감 기술은 대부분이 버너의 형태와 공기 또는 연료의 분사조건을 조절하여 화염 주위의 연소 배기가스가 연소용 공기 분류에 혼합되도록 함으로서 화염의 온도와 산소농도를 저감시키는 원리를 적용하고 있기 때문에 버너의 형태에 의하여 질소 산화물 생성이 직접적으로 영향을 받는다. 따라서 기존의 방법에 의하여 연소로의 질소 산화물 저감을 이루고자 할 경우에는 기존의 버너를 저 질소 산화물 버너로 교체하여야 하며 이는 산업에 있어서 설비 비용 증대를 불러와 환경 오염 물질 배출 저감에 있어서 하나의 장애요인이 되어 왔다.

본 발명은 이러한 관점에서 모든 산업의 연소 가열 공정에 대하여 설비의 개조 또는 교체 소요를 줄이면서 저 비용으로 질소 산화물 생성을 저감시킬 수 있도록 함으로써 환경보전에 기여할 수 있는 연소로 내의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 난류확산버너가 설치된 연소로의 질소산화물 발생 저감장치에 있어서, 상기 연소로의 측벽에 개구부를 형성하고, 상기 연소로의 측벽 개구부에 음향 부가장치를 설치하여 상기 연소로의 내부로 유체 밀도의 변동을 유도할 수 있는 음파를 부가하도록 구성하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치를 제공한다.

상기 본 발명에 의한 음향 부가장치는, 전기적으로 또는 고압 유체의 압력 에너지를 이용하여 음파를 발생시키는 음향 발생기와, 상기 음향 발생기의 동작 주파수 및 진폭을 제어하는 주파수 및 진폭 제어기와, 상기 음향 발생기에서 발생된 음향을 증폭시키는 혼과, 길이 조절이 가능하게 상기 혼에 부착되는 연결관과, 일측이 상기 연결관의 선단에 부착되고 다른 일측이 연소로 본체의 측벽 개구부에 노체 접속 플랜지를 통해 부착되어 연소로 내부의 화염으로부터 방사되는 복사열을 차단하여 복사열에 의한 음향 발생기의 열적 손상을 방지하는 열차단 곡관을 구비하여 구성할 수 있으며, 이러한 음향 부가장치는 연소로의 측벽 개구부에서 상기 난류확산버너의 연소 반응면과 수직한 방향으로 음파가 전달되도록 설치되는 것이 바람직할 것이다.

또한 본 발명은, 난류확산버너가 설치된 연소로에서의 질소산화물 발생 저감방법에 있어서, 상기 연소로의 내부로 유체 밀도 변동요소를 부가하여 연소로 내부의 최고온부의 온도를 저하시키는 연소로의 질소산화물 발생 저감방법을 제공한다.

특히 상기 본 발명 방법에서는 상기 연소로의 내부에 주파수 및 진폭 제어가 가능한 음파를 부가하여 그 음파의 진행에 따라 연소 반응영역과 주위의 연료 및 연소가스 간에 물질 및 열의 분산 촉진을 유도하여 유체밀도를 변동시킬 수 있으며, 특히 가청영역에서 초음파 영역에 이르는 주파수대역의 음파를 상기 버너의 연소 반응면에 수직한 방향으로 부가하는 것이 바람직할 것이다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면과 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연소로의 질소산화물 발생 저감장치의 개략 구성도로서, 연소용 공기(11)와 연료(12)가 주입되는 난류확산버너(13)가 연소로의 벽면에 설치되고 상기 연소로의 측벽에는 개구부를 형성하여 상기 연소로 내부에 존재하는 유체밀도의 변동을 유도할 수 있는 음향 부가장치를 부착한다.

버너의 연소시 상기 연소로의 내부에서는 버너의 연료 배관과 일직선으로 연료 분류(14)가 형성되고, 상기 연료 분류의 가장자리에는 연소 반응이 일어나는 연소반응영역과 화염이 존재하는 화염 영역이 각각 연소 반응면(15)과 화염 경계면(16)으로 구분되어 존재하게 된다.

상기 음향 부가장치는, 음파를 발생시키는 음향 발생기(1)와, 상기 음향 발생기의 동작 주파수 및 진폭을 제어하는 주파수 및 진폭 제어기(10)와, 상기 음향 발생기에서 발생된 음향을 증폭시키는 혼(2)과, 상기 혼과 곡관을 연결해주는 연결관(3)과, 일측이 상기 연결관의 선단에 부착되고 다른 일측이 연소로 본체의 측벽 개구부에 노체 접속 플랜지(7; 도 2 참조)를 통해 부착되어 연소로 내부의 화염으로부터 방사되는 복사열을 차단하여 복사열에 의한 상기 음향 발생기의 열적 손상을 방지하는 열차단 곡관(9)을 구비하여 구성할 수 있다.

이러한 음향 부가장치는 도 1에 예시된 바와 같이, 연소로의 측벽 개구부에서 상기 난류확산 버너(13)의 연소 반응면(15)과 수직한 방향으로 음파가 전달되도록 설치되는 것이 바람직할 것이다. 참고로 미설명 부호 8은 음파의 흐름을 나타내는 음파면이고, 17은 연소 배가스 흐름방향을 표시한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 음향 부가장치의 상세 구성도로서, 전기적인 방법 또는 고압 유체의 압력 에너지를 이용하여 음파를 발생시키는 기능을 가지는 음향 발생기(1)에 혼(2)을 부착하여 음향이 증폭되도록 하며, 상기 혼(2)의 선단에는 연결관(3)을 부착하여 길이를 조절할 수 있도록 구성함으로써 연소로 내부의 온도와 설치 여건에 따라 그 길이를 늘이거나 줄일 수 있도록 구성한다. 상기 연결관(3)의 선단에는 열차단 곡관(9)을 부착한다. 열차단 곡관(9)과 연소로 본체는 노체 접속 프렌지(7)에 의하여 연결되고 이와 같이 함으로서 연소로의 벽면 개구부에서 화염면과 수직한 방향으로 음파가 전달되어 진다.

이때 상기 열차단 곡관(9)은 도 2에 예시된 바와 같이, 연소로 내부의 화염으로부터 방사되는 복사열을 차단하여 복사열에 의해 상기 음향 발생기(1)가 열적 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 상기 열차단 곡관(9)은 세라믹 곡관 튜브(6)와 냉각 유체가 통과하는 냉각유체 튜브(4) 그리고 단열 충전층(5)으로 구성하여 음파의 전달이 이루어짐과 동시에 세라믹 곡관 튜브(6)의 온도를 저하시킴으로서 화염으로 부터의 복사열이 차단되며 고온의 연소 가스가 음향 발생기(1)에 도달하는 현상이 방지될 수 있도록 구성한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연소로의 질소산화물 발생 저감장치 및 방법의 각 부분에 대한 작동상태 및 그 효과를 설명한다.

공업용 연소로에서 일반적으로 적용하고 있는 난류확산버너(13)는 기본적으로 중심부에 연료 공급배관이 있어 연료(12)가 버너(13)의 중심부에서 연소로 내부로 분사되고, 연소용 공기(11)는 연료 배관 외측의 환상공간을 통하여 연료분류(14)와 같은 방향으로 분사되는 구조를 가진다.

이와 같은 난류확산버너의 형태에서는 난류 확산화염이 형성하게 되는 데, 이 때 화염의 기본적인 구조는, 내부에 연료분류(14)가 존재하며 연료와 연소용 공기의 혼합에 의하여 가연 혼합기가 형성된 다음 연소 화학 반응을 일으키는 영역이 연소 반응면(15)에 의해 한정되어 그 외부에 존재하게 된다. 이러한 연소 반응에 의하여 생성된 연소가스는 연소 반응면(15)의 외측으로 방출되며, 연소 반응면(15)과 화염 경계면(16) 사이의 환상 공간 내부에서 연소의 대부분이 완료되어 진다.

이와 같은 형태의 연소반응이 연소로 내부로 진행함에 따라 연료가 점차 소모되어 화염의 형태가 완성되며, 최종적으로는 연소배가스(17) 만이 연소로 출구로 배출되는 것이다.

이러한 화염의 구조에 있어서, 최 고온부는 연소화학 반응이 이루어지는 연소 반응면(15)에서 형성되며 질소산화물의 생성 또한 이러한 최고 온도의 범위에 따라 그 농도가 결정되어 지기 때문에 이 부분의 온도를 저하시키는 것이 본 발명에 의한 질소산화물 저감방법의 핵심기술이다.

질소 산화물의 생성을 억제하기 위하여 본 발명에서는 음향부가장치를 이용하여 이와 같은 난류확산 화염의 측면에 대하여 가청 주파수에서 초음파에 이르는 음파를 부가함으로서, 음파의 진행에 따라 연소로 내부의 유체 밀도의 변동 현상이 연소반응면(15)과 수직한 방향으로 유발되도록 하며, 그로 인하여 연소 반응영역과 주위의 연료 및 연소가스 간에 물질 및 열의 분산이 촉진되도록 하여 연소 반응영역을 확대시킴과 동시에 연소열의 분산 촉진 작용을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 작용은 결과적으로 화염의 최 고온부 온도를 저감시키는 결과를 초래하게 되며 이로 인하여 질소 산화물의 생성 반응이 급격하게 저하되는 효과를 얻을 수 있게 되는 유리한 작용이 있게 되는 것이다.

이상의 본 발명에 의하면 기존에 설비되어 있는 버너장치를 교체하지 않고도 연소로에서 발생되는 질소산화물을 저감시킬 수 있는 유익한 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 질소 산화물 저감을 위하여 저 질소산화물 생성형 버너로 교체한 경우에 있어서도 추가적인 질소 산화물 생성 억제가 가능하게 되며, 따라서 질소 산화물 억제를 위한 경비를 절감할 수 있으며 환경보전에 기여할 수 있는 등의 이점을 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연소로의 질소산화물 발생 저감장치의 개략 구성도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 음향 부가장치의 상세 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 음향발생기 2 : 혼 3 : 연결관

4 : 냉각유체 튜브 5 : 단열재 충전층 6 : 세라믹 곡관 튜브

7 : 노체 접속 플랜지 8 : 음파 진행면 9 : 열 차단 곡관

10 : 주파수 및 진폭제어기 11 : 연소용 공기 12 : 연료

13 : 버너 14 : 연료 분류 15 : 연소 반응면

16 : 화염 경계면 17 : 연소 배가스

Claims (9)

1. 난류확산버너가 설치된 연소로의 질소산화물 발생 저감장치에 있어서,

   상기 연소로의 측벽에 개구부를 형성하고, 상기 연소로의 측벽 개구부에 음향 부가장치를 설치하여 상기 연소로의 내부로 유체 밀도의 변동을 유도할 수 있는 음파를 부가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 음향 부가장치는,

   연소로의 측벽 개구부에서 상기 난류확산버너의 연소 반응면과 수직한 방향으로 음파가 전달되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 음향 부가장치는,

   전기적으로 또는 고압 유체의 압력 에너지를 이용하여 음파를 발생시키는 음향 발생기(1)와;

   상기 음향 발생기의 동작 주파수 및 진폭을 제어하는 주파수 및 진폭 제어기(10)와;

   상기 음향 발생기에서 발생된 음향을 증폭시키는 혼(2)과;

   길이 조절이 가능하게 상기 혼(2)에 부착되는 연결관(3)과;

   일측이 상기 연결관(3)의 선단에 부착되고 다른 일측이 연소로 본체의 측벽 개구부에 노체 접속 플랜지를 통해 부착되어 연소로 내부의 화염으로부터 방사되는 복사열을 차단하여 복사열에 의한 음향 발생기(1)의 열적 손상을 방지하는 열차단 곡관(9)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 열차단 곡관(9)의 내부에는 음파의 전달을 위한 세라믹 곡관 튜브(6)를 구비하고, 상기 세라믹 곡관 튜브와 열차단 곡관과의 사이에 단열 충전층(5)을 구비한 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 단열 충전층 내부의 세라믹 곡관 튜브 외주면에 냉각 유체가 통과하는 냉각유체 튜브(4)를 설치하여, 연소로의 개구부와 음향 발생기(1) 사이의 복사열을 차단하는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감장치.
6. 난류확산버너가 설치된 연소로에서의 질소산화물 발생 저감방법에 있어서,

   상기 연소로의 내부로 유체 밀도 변동요소를 부가하여 연소로 내부의 최고온부의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 연소로의 내부에 주파수 및 진폭 제어가 가능한 음파를 부가하여 그 음파의 진행에 따라 연소 반응영역과 주위의 연료 및 연소가스 간에 물질 및 열의 분산 촉진을 유도하여 유체밀도를 변동시키는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감방법.
8. 제 7항에 있어서, 가청영역에서 초음파 영역에 이르는 주파수대의 음파를 부가하는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 버너의 연소 반응면에 수직한 방향으로 음파를 부가하는 것을 특징으로 하는 연소로의 질소산화물 발생 저감방법.